JP2004014837A

JP2004014837A - 平面磁気素子

Info

Publication number: JP2004014837A
Application number: JP2002166841A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Fukuda; 福田　泰隆; Kazuhiko Echizenya; 越前谷　一彦; Hideaki Kohiki; 小日置　英明
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP4711593B2

Abstract

【課題】スイッチング周波数を高周波化した場合であっても大きなインダクタンスが得られ、スイッチング電源の小型化に有利に対応できる平面磁気素子を提供する。
【解決手段】下部磁性層と上部磁性層との間に平面コイルを狭持した構造になる平面磁気素子において、下部磁性層をフェライト系磁性層、一方上部磁性層を金属磁性粉と絶縁バインダとの混合体である金属磁性層とし、該平面コイルのコイル線間の空隙に、フェライト磁性粉と絶縁バインダとの混合体を充填すると共に、該平面コイルと上部磁性層とを絶縁層を介して接合する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面磁気素子に関し、特に高周波域におけるインダクタンス特性の有利な向上を図ったものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯機器やノート型パソコン等のような、電池で駆動される携帯機器の利用が進んでいる。
このような携帯機器に対しては、従来から、より一層の小型・軽量化が望まれており、最近ではこれらに加えて、マルチメディア化への対応、すなわち通信機能や表示機能の充実、あるいは画像データを含む大量情報の高速処理などの高機能化が求められている。
【０００３】
これに伴い、電池からの単一電圧を、ＣＰＵやＬＣＤモジュール、通信用パワーアンプなど様々な搭載デバイスが必要とする各々の電圧レベルに的確に変換できる小型電源の需要が増大してきた。
そこで、電子機器の小型・軽量化と高機能化を両立させるために、電源に搭載されるトランスやインダクタ等の磁気素子についても、その小型・軽量化を進めることが重要な課題となっている。
【０００４】
このような状況下で、従来、焼結フェライトコアにコイルを巻いたトランス、インダクタが搭載されてきたが、これらはいずれも薄型化が困難で、電源の薄型化を阻害してきた。
そこで、磁気素子の小型・軽量化を図るために、平面コイルを上下のフェライト磁性層で挟み、かつコイル線間をフェライトで埋めた構造になる平面磁気素子が提案された（特開２００１−２４４１２３号公報、特開２００１−２４４１２４号公報）。
【０００５】
この技術は、基板上に、下部フェライト層を印刷法などで形成し、その上にコイルパターンをめっき法などで形成したのち、さらにその上に上部フェライト層を印刷法などで形成することにより、平面磁気素子とするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
スイッチング電源をさらに小型化する場合、スイッチング周波数の高周波化が必要となるが、上掲した特開２００１−２４４１２３号公報および特開２００１−２４４１２４号公報に開示の技術では、磁性体としてフェライトを用いていることもあって、使用周波数がおおよそ　１０ＭＨｚ以下に制限されるところに問題を残していた。
【０００７】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、スイッチング周波数を高周波化した場合であっても大きなインダクタンスが得られ、スイッチング電源の小型化に有利に対応することができる平面磁気素子を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、
（１）高周波域でのインダクタンス特性を向上させるためには、上下部磁性層の透磁率を高周波域まで大きな値で維持する必要がある、
（２）そのためには、上下部磁性層のうち少なくとも一層を、絶縁体中にセンダスト等の高透磁率の金属磁性粉末を分散させた金属磁性層とするのが有利であることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００９】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．下部磁性層と上部磁性層との間に平面コイルを有する構造になる平面磁気素子であって、
下部磁性層はフェライト系磁性層、一方上部磁性層は金属磁性粉と絶縁バインダとの混合体である金属磁性層からなり、該平面コイルのコイル線間の空隙に、フェライト磁性粉と絶縁バインダとの混合体を充填すると共に、該平面コイルと上部磁性層とを絶縁層を介して接合したことを特徴とする平面磁気素子。
【００１０】
２．下部磁性層と上部磁性層との間に平面コイルを有する構造になる平面磁気素子であって、
下部磁性層および上部磁性層とも、金属磁性粉と絶縁バインダとの混合体である金属磁性層からなり、該平面コイルのコイル線間の空隙に、フェライト磁性粉と絶縁バインダとの混合体を充填すると共に、該平面コイルと上部および下部磁性層とをそれぞれ絶縁層を介して接合したことを特徴とする平面磁気素子。
【００１１】
３．前記下部磁性層側に基板を配設したことを特徴とする上記１または２に記載の平面磁気素子。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。
図１および図２に、本発明に従う平面磁気素子の好適例１，２をそれぞれ、断面で示す。
図中、番号１は下部磁性層、２は平面コイル、３は上部磁性層であり、４は平面コイルのコイル線間の空隙に充填したフェライト磁性粉と絶縁バインダとの混合体、５は絶縁層、６は端子である。なお、図１，２では、下部磁性層１側に基板を付けた構造にしていないが、用途・製法に応じて基板を備えた構造にすることができる。
【００１３】
さて、図１は、下部磁性層１をフェライト系磁性層１−１とした場合である。
下部磁性層であるフェライト系磁性層１−１としては、フェライト磁性粉と樹脂バインダとの混合体を熱硬化させたフェライト磁性樹脂、フェライト磁性粉と樹脂バインダとの混合体を焼成したフェライト焼結体および予め作製したフェライト焼結板などいずれもが適合する。
ここに、上記のフェライト系磁性層１−１の厚みａは、フェライト磁性樹脂の場合には　１００〜２００μｍ程度、フェライト焼結体の場合には２０〜５０μｍ程度、フェライト焼結板の場合には　２００〜４００μｍ程度とするのが好適である。
【００１４】
上記した下部磁性層１の上に平面コイル２を形成する。この時、下部磁性層１の上に直接、平面コイル２を形成しても良いが、表面の凹凸を解消するために、ポリイミドなどの樹脂平滑層を形成したのち、平面コイルを形成するようにしても良い。
平面コイルの形状としては、スパイラル形状やミアンダ形状があるが、スパイラル形状の方がインダクタンスを大きくできるのでより有利である。
【００１５】
本発明では、平面コイル２のコイル線間に、フェライト磁性粉と樹脂などの絶縁バインダとの混合体４を充填する。というのは、コイル線間にかような混合体４を充填することにより、この部分に上下部磁性層間の渡り磁束が集中するため、コイルを鎖交することによる銅損の増加が効果的に抑制されるからである。その結果、インダクタンスがさらに向上し、またコイル直流抵抗の低減も期待でき、かつ交流損失の小さなインダクタを実現することができる。
なお、かかる混合体４中におけるフェライト磁性粉の体積密度は２０〜８０　ｖｏｌ％程度とすることが好ましい。より好ましくは５０〜８０　ｖｏｌ％である。
【００１６】
ついで、上記した平面コイル２の上に上部磁性層３を形成するが、かかる上部磁性層３の形成に先立って、有機樹脂からなる絶縁層を形成する。というのは、本発明では、上部磁性層３として金属磁性粉を含む金属磁性樹脂を用いるので、かかる金属磁性粉とコイルとの導通を阻止するためには、絶縁層の存在が不可欠だからである。
かかる絶縁層としては、必ずしも１００％有機樹脂である必要はなく、フェライト磁性粉を２０〜８０　ｖｏｌ％程度含有していていもよい。というのは、絶縁層中に少量のフェライト磁性粉を含有させることにより、インダクタンスの一層の向上が図れるからである。
また、かかる絶縁層の厚みｂは、２〜４０μｍ程度とするのが好適である。
【００１７】
次に、上部磁性層を形成するが、本発明では、この上部磁性層３を、金属磁性粉と絶縁バインダとの混合体である金属磁性樹脂で構成したところに特徴がある。
金属磁性体は、フェライトに比べると共鳴周波数が高いので、より高周波での使用が可能となる。従って、上部磁性層を、かような金属磁性粉を含む金属磁性樹脂で構成することにより、高周波域におけるインダクタンス特性の有利な向上が達成できるのである。
【００１８】
ここに、樹脂中に分散させる金属磁性粉末としては、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、センダスト（Ｆｅ−Ａｉ−Ｓｉ）およびアモルファス合金などが有利に適合するが、これらだけに限るものではない。
なお、かかる金属磁性樹脂中における金属磁性粉の体積密度は２０〜８０　ｖｏｌ％程度とすることが好ましい。より好ましくは５０〜８０　ｖｏｌ％である。
また、かような金属磁性層の厚みｃは、５０〜１５０μｍ程度とするのが好適である。
【００１９】
次に、図２は、上下部磁性層とも、金属磁性粉と絶縁バインダとの混合体である金属磁性層で構成した例である。
この場合において、前掲図１の場合と異なるのは、下部金属磁性層１−２と平面コイル２の間に絶縁層５′を介在させる必要があることである。
この絶縁層５′の機能、材質および厚みａ′については、前述した絶縁層５の場合と同じである。
【００２０】
なお、図１，２いずれの場合においても、下部磁性層側に基板を配設した構造とすることができる。
かような基板としては、Ｓｉやアルミナが好適であるが、少なくとも下部磁性層として金属磁性粉を含む金属磁性層を用いる場合には、アルミナのような絶縁体基板を用いることが肝要である。
【００２１】
次に、本発明の好適製造方法について説明するが、本発明の製造条件は、これだけに限定されるものではない。
（１）　ＳｉやＡｌ_２Ｏ_３などの基板上に、フェライト系磁性層または金属磁性層からなる下部磁性層を形成する。
この時、フェライト系磁性層としては、フェライト磁性粉末をエポキシ樹脂に混ぜたペーストを、基板上にスクリーン印刷法にて塗布したのち、約１５０℃で熱硬化させて、フェライト磁性樹脂層としたものであっても、また１０００℃程度で焼成して、フェライト焼結体としたものであってもよい。さらに、予め作製しておいたフェライト焼結板を用いることもできる。
また、金属磁性層を形成するには、基板上に、センダスト粉末を含むエポキシ樹脂ペーストを印刷したのち、１５０℃で熱硬化させれば良い。
（２）ついで、下部磁性層がフェライト系磁性層の場合、必要に応じてエポキシ樹脂またはポリイミド樹脂からなる平滑層を形成したのち、Ｃｕシード層を無電解めっきにより　０．５μｍ厚程度に成膜する。
一方、下部磁性層が金属磁性層の場合には、エポキシ樹脂からなる絶縁層を形成したのち、同様にしてＣｕシード層を形成する。
（３）この上に、レジストを塗布し、平面コイルパターンを露光・現像し、レジストフレームを形成する。平面コイルの形状については、スパラルコイルが一般的である。
（４）フレーム内に電気めっきでＣｕを析出させる。
（５）レジスト剥離後、エッチングによって不要なＣｕシード層を除去する。
（６）フェライト磁性粉末をエポキシ樹脂に混ぜたペーストを、スクリーン印刷法にて、平面コイルのコイル線間に充填し、約１５０℃で熱硬化させる。
（７）ついで、絶縁層用の樹脂ペーストを端子部分を除いた全面に塗布する。
（８）ついで、この上に、金属磁性粉末をエポキシ樹脂に混ぜたペーストを、スクリーン印刷法にて　１００μｍ程度に塗布し、１５０℃程度で熱硬化させて、平面磁気素子とする。
【００２２】
【実施例】
実施例１
フェライト磁性粉としては、　Ｆｅ_２Ｏ_３／ＺｎＯ／ＮｉＯ＝４９／２３／２８（ｍｏｌ％）の組成のものを用い、また金属磁性粉としてはセンダスト（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ）を用いた。
まず、次に示す４つの方法により、下部磁性層を形成した。
ａ）アルミナ基板上に、上記の組成になるフェライトペーストを印刷後、１５０℃で熱硬化することにより、フェライト磁性樹脂（フェライト粉の体積率：６０　ｖｏｌ％）からなる厚み：１００μｍの下部磁性層を形成した。
ｂ）アルミナ基板上に、上記の組成になるフェライトペーストを印刷後、１０００℃で焼成することにより、フェライト焼結体からなる厚み：４０μｍの下部磁性層を形成した。
ｃ）別途、厚み：４０μｍのフェライト焼結板を用意した。
ｄ）アルミナ基板上に、センダスト粉末を含む樹脂ペーストを印刷後、１５０℃で熱硬化することにより、金属磁性樹脂（センダスト粉末の体積率：６０　ｖｏｌ％）からなる厚み：１００μｍの下部磁性層を形成した。
【００２３】
ついで、得られた各下部磁性層の上に、エポキシ樹脂をスピンコートによって塗布したのち、１５０℃で熱硬化して１０μｍ厚の平滑層を形成した。
ついで、これらの上に、シード層として　０．５μｍ厚のＣｕ膜を無電解めっき法で成膜した。ついで、このＣｕシード層上にフォトレジストを塗布した後、フォトエッチングにより、スパイラル形状のレジストフレームを形成した。その後、電気めっきによりレジストフレーム内にコイル用のＣｕを析出させた後、レジストを剥離し、ついで化学エッチングでコイル間のシード層を除去して、平面コイルを作成した。この平面コイルはいずれも、ライン幅：５０μｍ、ライン間隔：２０μｍ、高さ：８０μｍで、ターン数は１４とした。
【００２４】
次に、フェライト磁性粉を含むエポキシ樹脂ペースト（フェライト磁性粉の体積率：６０　ｖｏｌ％）を、スクリーン印刷法にて、コイル線間にスクリーン印刷した後、熱硬化させた。次に、絶縁層として、フェライトを含まないエポキシ樹脂を、印刷（厚み：１０μｍ）したのち、その上に、センダスト粉末を含む樹脂ペースト（センダスト粉末の体積率：６０　ｖｏｌ％）を　１００μｍ厚に印刷し、熱硬化させて平面磁気素子とした。
【００２５】
かくして得られた各平面磁気素子の構造を表１に示す。
また、表２に、各平面磁気素子の上下部磁性層の透磁率（μ）、５ＭＨｚ，　２０ＭＨｚにおけるインダクタンスおよびこれらのインダタンス比（Ｌ_２０Ｍ／Ｌ_５Ｍ）について調べた結果を示す。
【００２６】
また、比較のため、図３に示すように、Ｓｉ基板７上にフェライトペーストを印刷・焼成して下部フェライト層８としたのち、発明例と同じ手法で平面コイル２を形成し、ついでコイル間隔と同じエポキシ樹脂ペーストをスクリーン印刷法にて印刷、硬化して上部フェライト層９としたもの（比較例１）についても同様の調査を行った（この例は、特開２００１−２４４１２４号公報に開示の技術に相当する）。さらに、比較例２として、図４に示すように、平面コイル２のコイル線間にフェライトを含まないエポキシ樹脂１０のみを充填する以外は、図２に示した発明例と同じとしたものについても同様の調査を行った。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
表２に示したとおり、発明例はいずれも、２０ＭＨｚという高周波域において高いインダクタンスを得ることができた。
【００３０】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、従来材に比べて高周波域におけるインダクタンス特性が高い平面磁気素子を安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う平面磁気素子の好適例１の断面図である。
【図２】本発明に従う平面磁気素子の好適例２の断面図である。
【図３】実施例で示した比較例１に相当する平面磁気素子の断面図である。
【図４】実施例で示した比較例２に相当する平面磁気素子の断面図である。
【符号の説明】
１　下部磁性層
２　平面コイル
３　上部磁性層
４　フェライト磁性粉と絶縁バインダとの混合体
５　５′　絶縁層
６　端子
７　Ｓｉ基板
８　下部フェライト層
９　上部フェライト層
１０　エポキシ樹脂

Claims

下部磁性層と上部磁性層との間に平面コイルを有する構造になる平面磁気素子であって、
下部磁性層はフェライト系磁性層、一方上部磁性層は金属磁性粉と絶縁バインダとの混合体である金属磁性層からなり、該平面コイルのコイル線間の空隙に、フェライト磁性粉と絶縁バインダとの混合体を充填すると共に、該平面コイルと上部磁性層とを絶縁層を介して接合したことを特徴とする平面磁気素子。
下部磁性層と上部磁性層との間に平面コイルを有する構造になる平面磁気素子であって、
下部磁性層および上部磁性層とも、金属磁性粉と絶縁バインダとの混合体である金属磁性層からなり、該平面コイルのコイル線間の空隙に、フェライト磁性粉と絶縁バインダとの混合体を充填すると共に、該平面コイルと上部および下部磁性層とをそれぞれ絶縁層を介して接合したことを特徴とする平面磁気素子。
前記下部磁性層側に基板を配設したことを特徴とする請求項１または２に記載の平面磁気素子。